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RÉSUMÉ
Dans cet article, l'état de l'art et les perspectives des technologies SOI sont présentés. La synthèse des matériaux et les avantages essentiels des circuits SOI sont tout d'abord exposés. Les méthodes de caractérisation et les mécanismes physiques qui régissent le fonctionnement des transistors MOS sur SOI sont détaillés. Le SOI ayant un fort potentiel pour repousser les frontières de la nanoélectronique, les avantages des transistors les plus prometteurs, incluant les canaux alternatifs, les dispositifs multi-grilles, les nanofils et les composants à effet tunnel, sont passés en revue.
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In this article, state-of-the-art SOI technologies and their prospects are presented. Materials and the major advantages of SOI circuits are firstly dealt with. Characterization methods and the physical mechanisms that govern the operation of MOS transistors on SOI are described. As SOI technology has high potential for pushing back the boundaries of nanoelectronics, the advantages of the most promising transistors, including alternative channels, multi-gate devices, nanowires and tunneling FETs are reviewed.
Auteur(s)
-
Francis BALESTRA : Directeurs de recherche au CNRS, Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique (IMEP) Institut Polytechnique de Grenoble (Grenoble INP)
INTRODUCTION
La technologie silicium sur isolant (« Silicon On Insulator » : SOI) a été inventée dans les années 1960-1970 pour satisfaire la demande de circuits intégrés durcis aux irradiations ionisantes. Le premier matériau, le silicium sur saphir (SOS), a été suivi par une variété de structures SOI. Leur dénominateur commun est d'offrir, grâce à un oxyde enterré, une parfaite isolation diélectrique entre la couche active des circuits et le substrat de silicium massif. En effet, dans un transistor à effet de champ métal oxyde semi-conducteur (MOSFET), il n'y a que la couche superficielle de silicium, d'épaisseur 0,1 à 0,2 µm (c'est-à-dire moins de 0,1 % de l'épaisseur totale de la plaquette de silicium), qui est vraiment utile pour le transport des électrons. Le reste de la plaquette est responsable d'effets parasites indésirables, que l'on peut éviter en faisant appel à une solution de type SOI .
Depuis le début des années 1990, la mise au point de nouveaux matériaux SOI, ainsi que l'explosion des appareils électroniques portables, ont promu le SOI comme une technologie de choix pour la fabrication de composants à basse consommation et à haute fréquence.
Nous décrivons l'état de l'art des technologies SOI, en commençant par les méthodes de synthèse des principaux matériaux. Les avantages essentiels des circuits SOI, par rapport aux dispositifs conventionnels sur silicium massif, sont présentés, avant de faire plus ample connaissance avec les composants typiques déjà fabriqués sur SOI. Les méthodes de caractérisation, in situ ou fondées sur l'inspection des composants, sont évoquées. Nous verrons que les mécanismes physiques qui régissent le fonctionnement des transistors MOS sur SOI, partiellement ou totalement désertés, sont assez différents de ceux habituellement rencontrés dans les MOSFET (« Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ») sur silicium massif. Le SOI a un fort potentiel pour repousser les frontières de la micronanoélectronique, par la miniaturisation des transistors MOS conventionnels ou bien par les architectures innovantes qu'il peut accueillir.
Ce travail a été réalisé au laboratoire IMEP-LAHC de l'Institut Polytechnique de Grenoble (Grenoble INP). Nos collègues – du LETI, STMicroelectronics, SOITEC et de très loin –, porteurs du virus SOI, sont remerciés pour tout ce qu'ils nous ont appris.
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MOTS-CLÉS
MOSFET silicium sur isolant multigrille nanofil Si contraint
KEYWORDS
MOSFET | silicon-on-insulator | multigate | nanowire | strain Si
DOI (Digital Object Identifier)
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Dispositifs2. Avantages fondamentaux
Dans un circuit SOI, chaque transistor occupe un îlot individuel de silicium, isolé diélectriquement du substrat de silicium (figure 1 b). L'isolation latérale des îlots permet de concevoir des architectures plus compactes que dans le silicium massif, car les caissons ou les tranchées d'isolation deviennent superflus. Quant à l'isolation verticale, garantie par l'oxyde enterré, elle élimine les inconvénients d'un substrat massif : mécanismes d'interférence entre dispositifs voisins (en particulier, l'effet de verrouillage ou latch-up), courants de fuite, etc.
Les régions de source et de drain s'étalent jusqu'à l'oxyde enterré de sorte que les jonctions ne présentent plus qu'une surface latérale et minimisée. Il en résulte une forte réduction des courants de fuite et des capacités de jonction, qui se traduit par un gain en vitesse des circuits, une plus faible consommation et une extension significative de la plage de fonctionnement vers les hautes températures.
La faible épaisseur de la source et du drain rend les transistors MOS sur SOI moins sensibles aux effets de canal court, induits par le partage de charge, entre grille et jonctions. Les MOSFET sur SOI s'avèrent ainsi moins récalcitrants vis-à-vis des contraintes de la miniaturisation ultime (§ 7), que leurs cousins sur silicium massif.
Les transistors à film SOI mince sont exceptionnellement tolérants aux effets transitoires des irradiations ionisantes. En outre, le pic du champ électrique est plus faible dans le SOI par rapport au silicium massif, ce qui engendre une immunité supérieure à la dégradation induite par les porteurs chauds.
Mais c'est surtout dans le domaine très compétitif des circuits à faible tension et à faible consommation (LV/LP), où l'alimentation pourrait être fournie par une seule batterie rechargeable de 0,6 à 1 V, que le SOI exprime la plénitude de son potentiel. Une faible excursion de la tension de grille est souhaitable pour commuter le transistor de l'état bloqué à l'état passant. Seul le SOI offre une pente en inversion faible quasi idéale (60 mV/décade à la température ambiante), et donc la possibilité d'abaisser la tension de seuil autour de 0,2 à 0,3 V. Les faibles courants de fuite minimisent la puissance dissipée...
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Avantages fondamentaux
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - CRISTOLOVEANU (S.), LI (S.S.) - Electrical characterization of SOI Materials and Devices. - Kluwer, Norwell (1995).
-
(2) - CRISTOLOVEANU (S.) - Silicon films on sapphire. - Rep. Prog. Phys., 3, 327 (1987).
-
(3) - MORIYASU (Y.), MORISHITA (T.), MATSUI (M.), YASUJIMA (A.) - Preparation of high quality silicon on sapphire. - Silicon-On-Insulator Technology and Devices IX, Electrochemical Soc., Pennington, 99–3, 137-142 (1999).
-
(4) - CELLER (G.K.), CRISTOLOVEANU (S.) - Frontiers of silicon-on-insulator. - Journal of Applied Physics, 93 (9), 4955–4978 (2003).
-
(5) - CRISTOLOVEANU (S.) - A review of the electrical properties of SIMOX substrates and their impact on device performance - . J. Electrochem. Soc., 138, 3131 (1991).
-
(6) - BRUEL (M.) - Silicon on insulator material technology - ....
ANNEXES
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